（机械电子工程专业论文）电动车制动系统测试平台设计.pdf

攮要 摘要 电动车制动系统测试平台 研究生；徐伟粱指导老师；张赤斌副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 本文针对目前电动自行车制动系统测试的不便，过于依赖经验感觉，缺乏定量指标，应用机电一体 化理论，设计了电动自行车制动系统测试平台，并提出了定量指标和畏i 量方法 根据动力学相关原理，分析电动自行车路面行驶时的受力，比较测试平台，提出可行性分析，为平 台设计提供方向参考汽车等机动车辆测试指标，指出铜动系统需要考察和测量的性能指标，并提出相 应的测量方法 根据测试指标和便于集成自动化管理的要求，规划各机械电子部分的功能，设计相应的机械机构， 选购各电气电子设备主要的机械结构有：动力传动机构、制动力产生机构和各个加紧机构。主要的电 气、电子设备有：三相异步电机、变频器、电磁离合嚣、磁粉离合器、光电编码器、低速大扭矩电机、 拉压传感器、拉力传感器、溯温模块等同时平台具有单轮测试和整车测试两种功能，可以分别测试单 轮和整车模式下的制动力情况 设计机电系统的控制电路，传感器信息采集电路，完成对上位机信息的传递和控制命令的下载根 据测试指标的要求，设计各个测试模式，可完成单次测试、多次畏i 试和路面测试，分别提供锄动效能、 制动抗衰退性和制动效能稳定性的指标。为综合了解制动性能提供定量指标同时，机电系统的设计注 重模块化的理念，努力将各子系统功能模块化。减少系统耦合，便于调试和集中管理上位机软件采用 v b + a c c e s s 的模式。可实时动态显示测试数据，圊时采用数据库方式记录和处理数据，便于测试者的 数据整理和归档工作 整机调试，预测数据，对比平台测试数据与实际路面测试数据，分析数据，指出测试平台的优点与 缺陷。总结全文，展望未来，提出测试平台改进优化的方向 关键字；电动自行车，制动系统，测试平台，机电系统 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e s tp l a t f o r mo ft h eb r a k es y s t e ml e r t o r m a n c ef o rt h ee l e c t r i c c a n d i d a t ef o rt l m s t e r ：】如w e i - h a n g a d v i l 婀- a s l l o e l s l ep m 2 丑a n gc h i - b l a ( s o u t h e a s ti j n l v e r s i t y , n 矗哪岫g ) b c c a u s et h ei n c o n v e n i e n tf o rt r a d i t i o n a ln x 埋霸a 咖a o p r o a c hf o rt h ec 鼬i cb i c y c l e i tn 哪t e s t p l a t f o r mf o rt h eb f a k cs y s t e mp e r f o r m a u e ci sd e s i g n e d , t oa v o i dt o or e l a y i n gt ot h es u b j e c tj u d g m e n ta n dl a c k o lq u a n t i t a t i v ei n d e x , b a s e do nm e c h a n i c a la n dc l 锄i c sn 喀嘛l i i 喀p r i n c i p l e , a n da 1 0 n gw i t h , c e r t a i n 蜊 q u a n t i t a t i v ei n d c xa n dm e a s u r e m e n ta l ，p r o a e l ai sp u tf o l w a r d u s i n gt h er e l a t i v ed y n a m i ep r i n c i p l e ，| a l y 五呜t h ef o r c e so nt h er o a dr i d i n g , e o m p a l i n gt ot h ep l a t l o t , m o n e s , t oc a r r yo u tt h ef e a s i b i l i t yc o n f o r m a t i o nt ot h ct e s tp l a t f o r m , g i v eag u i d e l i n et ot h ep l a l f o r md e s i g n r e f e f e n o ct ot h em e a 刮毗e 枷i n d e xo ft h ea u t ov e l a i e l e , an e wt e s tl l 地t l a o dt oi a a l t i f yt h el , c r f o r n n 岩o tt h e b r a k es y s t e mi 8c a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ei n d e xo ft h em e a s u r e m e n t , c o n f o r mt i l ec a p a b i l i t yr e q u i r e m e n tf o rt h em e c l a u t i c a la n d c k 咖n i c sp a r t s d e s i g n 岫m e c h a n i c a lp a r t , a n dc h s ct h ec l e e t m m c sa c c e s s o r y , i nf a v o rt oi n t e g r a t i o n 柚d a u t o m a t i o n t h ci n a i nm e c h a n i c a lp a r t si t l r bt h eo o w c rd r i v es t l r u c t u r e t h eb r a k ef o r c eg e n e r a t i v es t n l e t u l r ea n d t h ev a r i o u sd a m p s t h cm a i ne i e c t n i ea n dc l e e t r i ep a r t sa t h et h e r ep h a s ea s y l a e h r o n o u sm o t o r , t h e i t a n s d u c c r , t h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c l a , t h em a g n e t i cp a r t i c l ec l u t c h , t h ep l a o t o e l e c t r i ec n e o d e r , t h el o w r o t a t i o n a ls p c c ah j 曲t o r q u em o t o r , t h c w e i g h ts c l i i s o ra n dt h et e n s i o ni i c m o f a n dt l a e r c 埘t w ot e s tb l o l ；i c 8i o c b o o ，a i m e dt od e t e r m i n et h ep c r f o wo ft h es i n g l ew h e e lo rt h ew h o l eb i c y c k mc o n t r o lb o a r df o rt h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c ss y s t mi sd e s i g n e d ，t oc o m p l c l et h es i g i i | lc o l l e c t i o n f 】r o ms c - i i i s o l s ，c o m m u n i c a t i o nw i t ht h em a s t e rm a e l a i n ef o rd a t es e z i c l i n ga n dc o m m a n dr e c e i v i n g s e v e r a lt e s t n a y sa ”p l a n n e di ne a c ht e s tm o d l ：s u c ha ss i n g l et i m et e s t , r c p e t i t i o nt e s ta n dr o a ds i m u l a t i o nt e s ti nt h e p r o g r a m , t oc o m p l e t et h eb r a k ep e r f o r m a n c e , t h eb r a k ea n t i - r e c e s s i o np e r f o r m a n c ea n dt h eb r a k es t a b i l i z a t i o n p e r f o r m a n c ei n d e xl e s t , f o rf u l lu n d e r s t a n d i n gt h ee a p a b i l i t yo ft h eb r a k es y s t e m m e a m v l a i l e t h ep r i n c i p l eo f m o d u l ed e s i g ni si m p l e m e n t e dt om o d u l a t i o ne a c ho ft h es y s t e mf u n c t i o n s ，t od e c r e a s es y s t e mc o u p l i n ga n d i m l , r o v ct h et e s ta n dm a n a g e m e n te f f i c i e n c y t h ei n a s l e rm a c l f i n ep r o g r a ma d o p t c t lt h ev b + a c e e s sm o d u l e , 丘g u r co u tt h et e s td a t er e a li nt i m e t oc o n t r i b u t et ot h ed a t ed o c u m e n ta n dt h ed a t a b a s em a n a g e m e n t t h ei n t e g r a t i o nt e s t , t h ed a t ep r e t e s t , t h ed a t ec o m p a r i s o nt ot h er o a dt e s ta n dt h ea n a l y s i si sa c c o m p l i s h e d ； t h ea d v a n t a g ca n dt l a cd i s e o t m to ft h et e s tp l a t f o r ml i l t ee o n e h t d e df o rr u l e ri m p r o v e m e n t 1 k e y w o r d s ：e l e c t r i cb i c y c l e b r a k es y s t e mt e s tp l a t f o r mm e e h a n i e a la l l de l e c t r o n i c ss y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日期：丑，占 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：雄导师签名； 玉墨兰尘支 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 电动自行车从7 0 、年代起，经历了几次大的大起大落以后，充分运用当今新技术、新材料，如 今集成了先进的控制电路、大功率的新型电机和大容量的蓄电池，成为了老百姓的又一个有利的交通工 具尤其是在现在这样一个能源紧缺的世纪里，更顺应了环保和节约能源的潮流，成为许多国家发展和 推广的方向之一，尤其是在日本、美国、欧盟。销售持续增长 但在我国电动自行车的发展却不是一帆风顺的。一方面，电动车方便快捷、价廉物美，非常符合普 通百姓的需要；另一方面，电动车高速、大功率的特点对城市交通造成许多安全隐患。其中最让人担心 的问题奠过于其制动系统的性能了。大功率的新型电机使得电动车的驱动能力加强，许多电动车的最高 时速甚至可以达到4 0 k m h 电机、蓄电池等附属器件的增加使得电动车质量加大所有这些对于制动 系统的要求也就更为苛刻。 但现行电动车的制动系统只是对自行车制动部件的简单移植，缺乏严格的技术指标和要求而且目 前各生产厂家普遍采用路检的方法来确定制动系统的优劣该方法主要存在以下问题： ( 1 ) 由于采用人工检测的方法，大量的时间往往耗费在制动系统的拆卸和装夹上而且受蓄电池 容量的影响，测试周期较长，效率低下； ( 2 ) 测试指标由主观判定取得，人为因素影响较大； ( 3 ) 测试时受当时路面、天气等环境因素影响，缺乏统一的测试基准； ( 4 ) 数据量大，记录存档工作繁杂； ( 5 ) 有场地的需要，而且测试过程有一定的危险性。 鉴于以上原因，若能研制一种电动自行车自动检测设备，使其完成以下功能： ( 1 ) 提供一个统一标准的测试环境，完成测试项目； ( 2 ) 方便的装夹机构，提高测试效率； ( 3 ) 自动化的检测技术，实时收集数据和归档； 那么将大大提高检测的效率和精确性，具有很好的现实意义 同时，现行的电动自行车安全要求i l l 采用的是2 0 0 5 年版的自行车安全标准i 习。该标准对于自行车 制动性能的测试有较为详细的介绍。但在测试场地、测试基准等方面的要求较为粗糙，而且测试指标单 一( 仅有制动距离) ，未能全面准确的反映制动系统工作性能。这对制动系统零部件厂商而言，缺乏全 面的指导意义。但实际整车制造时，更多的技术要求却来源于零部件厂商。只有质量优秀的零部件，才 能保证整车整合时的安全可靠。所以建立一套制动系统检测标准和方法是很有必要的。 浙江建德五星车业有限公司是一家专业从事开发、研制、生产自行车和电动车零部件的厂商。其制 动系统零部件在全国电动车、自行车市场占有较大的份额。为配合企业发展，该公司与东南大学机械学 院建立东南大学建德五星机电工程研究中心，专门从事对于电动车制动系统检测技术等相关方面的 研究。为促进电动自行车行业的发展，完善电动车质量检测技术和标准，进行了电动车制动系统测试平 台研究。希望籍此为电动车制动系统检溯方法的完善和标准的建立，奠定技术基础。 1 2 国内外研究现状 国内电动车整车性能自动检测系统已经有成熟的产品应用于市，如早期的南京大学物理学系与应用 物理研究所曾研制过的整车路试检测系统【3 l 。该系统由条码阅读器、报警装置、调速电机、凸轮电机、 油压负载电磁制动器等设备以及计算机、控制系统构成。主要功能有行驶速度测量，过流值测量、路 东南大学硕士学位论文 障颠簸试验、爬坡试验等。还有由杭州申吴信息科技有限公司联合中国科学院、浙江大学共同设计的电 动自行车常规监测试验综合系统 4 1 主要完成对启动时问、最高车速、制动性能、最大输出、经济电耗、 续行里程、过流保护值、欠压保护值的检测，同时还可以监测电动自行车在设定的不同负载情况下及指 定运行里程内的力学特性( 包括：输出力、行使速度) 和电学特性( 包括t 工作电压、工作电流) 的变 化其主要的理论基础是基于对电动自行车行驶阻力的分析i l ”通过实验的方法确定速度与阻力的关 系来附加系统阻力，从而实现测试平台的路面模拟。该系统对于整车的检测较为完备，但在制动系统方 面没有对制动过程的机理进行分析，依赖于行车阻力建立的经验模型i i ”，测试较为粗糙。但在平台结 构设计、机电控制方面有较大的借鉴意义 考虑到两轮摩托车与电动自行车有许多相似之处，特别是轻型摩托车的检测技术可以作为我们设计 的参考。目前国内摩托车各生产厂家和技术监督部门对摩托车检测手段多是路检，只能对最高车速、制 动距离、加速性能等少数项目进行检测，无法对制动性能的全部做出评价有少数规模较大的厂家采用 国外进口的摩托车专用检测系统，如日本的c h - d y 3 0 k w 、c h - d y 7 5 k w 、a v l - 2 0 e 1 , l n e r 等摩托车 底盘模拟试验台。这些设备模拟精度高，逼近速度快，直观性好，但价格昂贵。而且主要用于整车测试 另一方面高档摩托车a b s 的大量使用，使得摩托车车用a b s 测试平台的市场出现。如南京理工大学机 械制造及自动化专业袁军堂老师对摩托车用液压制动防抱死控制器及其检测装置【l 。刎有一定的研究，并 在混泥土、雪地等路面下进行了模拟试验。武汉理工大学动力机械及工程系也曾研制摩托车a b s 试验 台p 4 1 虽然这些测试装置的用途与电动自行车制动系统测试平台相比有很大的不同，但其对制动过程 的分析，路面的模拟以及试验装置的建立具有很好的借鉴意义。特别是路面阻力模拟方面，提供了机械 模拟、电模拟以及两者相结合等方式，还有对制动系统工作机理的分析，这些对制动系统的研制都具有 很好指导意义。 而在测试参数和方法方面：许建林在文献【明中的探讨，对电动自行车同样具有很好的指导意义 特别是对一些环境因素的考虑比较全面，对比国家标准规定的方法更为科学有效 日本j i sd 9 2 0 1 ：2 0 0 1 1 1 6 1 、德国d i n7 9 1 0 5 1 9 8 5 1 ”i 、英国b s6 1 0 2 1 1 9 9 2 1 ”j 标准中对制动试验都有 者详细的描述，虽然这些标准都是针对自行车的，但是对于电动自行车制动系统的检测同样具有很好的 借鉴意义。甚至国标g b l 7 7 6 1 1 9 9 9 电动自行车通用技术条件l i j 中的制动安全部分也是以自行车安全要 求为标准的。 1 3 课题研究内容 目前的电动车制动系统设计与检测水平明显滞后于整个电动车产业的发展，生产企业对此有迫切的 需求，但开展这方面的研究的单位还很少，甚至没有本文结合整车检测的相关技术，利用机电一体化 的理论对电动车制动系统测试方法和平台设计进行了深入的研究。课题主要内容如下： ( 1 ) 根据电动自行车通用安全技术条件l l l 等相关要求，确定电动自行车制动系统的测试参数 和方法。其参数指标和测试方法与制动减速度、制动距离、制动时问等相关 ( 2 ) 分析制动过程、建立制动时的动力学模型，为平台设计指明方向。 ( 3 ) 根据制动机理和测试要求，确定平台设计方案，规划各个机械电子部分功能 ( 4 ) 根据平台设计方案，设计制作各个子模块 1 4 本文章节划分 本文根据制动系统性能的要求，确定制动系统测试的参数和方法配合对制动系统工作机理的分析， 设计测试平台。研制各个机械电子部分，完成整机调试。重点完成了以下工作： ( 1 ) 对制动系统测试参数的确定和测试方法的探讨； ( 2 ) 对机械电气部分的设计，完成电气、电子设备的选购； ( 3 ) 完成控制电路的设计开发，f ：制板； 2 第一章绪论 ( 4 ) 编写相应的控制程序和上位机软件； ( 5 ) 完成测试平台的试测，根据测试结果分析平台优缺点，提出改进意见 1 5 本章小结 本章阐述了制动系统测试平台的研究现状。找到相关行业可以借鉴的技术，为测试平台的设计提供 指导同时阐述了课题中需要注意的方面，为平台的设计提供方向。 3 东南大学碉士学位论文 第二章制动性能的测试原理和方法 制动系统测试平台作为一个测控系统，首先需要确定的当然是测控对象。只有对象确定，要求明了， 设计才能有的放矢。因此这里首先需要解决的问题是，到底衡量一个制动系统性能的指标有哪些，影响 的主要因素有哪些。然后才能确定测试的方法，进行平台设计。当然平台的设计，必须以深入理解制动 过程为基础才能在实验室的环境下，模拟制动系统实际的工作状况，取得测试数据 2 1 测试指标 电动自行车行驶时，能在短距离内迅速停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速称 为电动自行车的制动性。其制动性能直接关系着电动白行车的行车安全。只有在保证电动白行车行车安 全的前提下才能充分发挥它的其他特点，诸如方便灵活、节约能源等。电动自行车的制动性不仅取决于 制动系统的性能，还与电动车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的附着条件以及与制动操作有关的人 体工程特性有密切关系。本节主要论述电动车制动性评价指标、电动车制动性检测方法、检测项目和检 测技术要求 2 1 1 崩动效能 制动效能是指电动自行车迅速降低行驶速度直至停车的能力。是制动性能最基本的评价指标它是 由制动力、制动减速度、制动距离和制动时间来评定 1 ) 电动自行车在制动过程中人为地加载作用力，使电动车受到一个与其运动方向相反的阻力，并 在该阻力作用下迅速地降低车速直至停止，这个阻力称为电动车的制动力多用电动车制动时与电动车 行驶方向相反的地厦切向反作用力来衡量该指标 在制动过程中滚动阻力矩c ，惯性力矩l 相对都较小时可忽略不计地面制动力疋可写为 e 王 式中： r 车轮制动半径( m ) 地面制动力e 是电动车制动时地面作用于车轮的外力，e 值取决于车轮的半径与制动器的摩擦力 矩l ，但其极限值受到轮胎与路面间附着力e 的限制在轮胎周缘( 钳型刹等) 或内侧( 抱刹、胀剩 等) 克服车轮制动嚣摩擦力矩所需的力称为制动器制动力e 即式中：瓦车轮制动器( 制动面问相对滑转 时1 的摩擦力矩 制动器制动力f 取决于制动器结构、型式与尺寸大小，制动器摩擦副摩擦系数和车轮半径。一般 情况其数值与制动线拉力成正比，即与制动系的正压力大小成线性关系。对于结构、尺寸一定的制动器 而言，制动器制动力主要取决于制动副与摩擦副的表面状况，如接触面大小，表面有无油污。 2 ) 制动距离与行车安全有直接关系，而且最直观，驾驶员可按预计停车地点的距离来控制制动强 度，故政府职能部门通常按铝l 动距离的要求制订安全法规。制动距离与制动过程中产生的地面制动力以 4 第二章测试原理与方法 及制动传动机构与制动器工作滞后时间有关，而地面制动力与检验时施加在制动线上的拉力或制动系的 正压力以及路面的附着条件有关因此，测试制动距离时必须对制动线或制动系的压力以及轮胎与路面 的附着条件做出相应的规定 3 ) 制动减速度j 与地面制动力f l 及车辆总质量有关，以下式表示： ，磐 ( 2 1 ) 口g 式中l g 电动自行车总负载c n ) g 重力加速度( m s 2 ) o 汽车回转质量换算系数。 对某一具体车辆而言，制动减速度与地面制动力是等效的因此也常用制动减速度作为评价制动效 能的指标制动减速度在一次制动过程中往往是变化的。通常车辆检测时用平均减速度或最大减速度作 为制动效能的评价指标在我国的汽车安全法规中采用充分发出的平均减速度m f d d ( m e a nf e l l y d e v e l o p m e n t d e c e l e r a t i o n ) ，如下式所示，这对电动自行车制动系统的测试也具有一定的借鉴作用 一一龋 2 2 式中： 0 8 ，即车辆制动的初速度( h 蛐) ； 匕o 1 ，即车辆制动的末速度( k m h ) ； h 制动初速度( k m h ) ； 在速度和h 之间车辆驶过的距离( m ) ； 屯在速度v o 和k 之问车辆驶过的距离( m ) ； 4 ) 制动过程所经历的时间即制动时间，很少作为单纯的评价指标。但是作为分析制动过程和评价 制动效能时又是不可缺少的参数。通常把制动时问作为一个辅助的评价指标在我国汽车安全法规中还 采用制动协调时问评价制动效能。制动协调时间，是指在紧急制动时从脚踏板开始动作至车辆减速度达 到车辆充分发出的平均减速度7 5 时所需的时间 2 1 2 制动抗衰退性 电动车制动抗热衰退性能是指电动车高速制动、短时间重复制动或下长坡连续制动时制动效能的热 稳定性。因为制动实质是把电动车的动能通过制动器吸收转化为热能，制动过程中制动器温度不断提高， 制动器摩擦系数下降，制动器摩擦力矩减小，从而使制动能力降低，这种现象称热衰退现象。因此可以 用制动器处于热状态时能否保持有冷状态时的制动效能来评价汽车制动抗热衰退性能。制动抗热衰退性 是衡量制动效能恒定性的一个指标。随着电动车技术的发展和车速的提高，电动车制动性能的恒定性要 求也愈来愈高。但由于测试方法较复杂，在一般电动车综合测试中较难实施。 此外还涉及在雨天等恶劣天气下的，制动器摩擦系数受湿度等环境因数影响。制动嚣摩擦力变化， 从而使制动能力改变这些都是制动抗衰退性的体现 5 东南大学硕士学位论文 2 1 3 制动效能的稳定性 电动车路面行驶时，由于路面状况的不同，长时问加速、减速运行下，对于制动器的制动能力的影 响也应该是制动器性能指标的重要体现。同时作为厂家更需要了解翻动器从出厂到破坏可以经历的环 境、时问、速度、加速度等极限因素，如：制动器在满负荷运行条件下，可以保持制动力性能多长时问； 连续频繁制动情况下，制动力变化情况等。这对全面的把握制动器制动性能是很有必要的。 2 2 测试方法探讨 鉴于实际测试中，对于制动系统的测试过于依赖感观、经验等主观因素，所以有必要参考摩托车、 汽车等机动车辆的制动系统测试方法，提出适合电动车制动系统测试的方法。这样既便于零部件厂家掌 握自身产品的性能指标，又便于对比各种制动系统制动性能的优劣。 2 2 1 现行测试方法的局限性 现阶段电动自行车安全要求等同采用g b 3 5 6 5 - 2 0 0 5 自行车安全要求该标准中规定的制动性能试 验要求为： 1 ) 轮胎胎压应按标注在外胎上的最大推荐压力： 2 ) 应尽可能采用室内实验跑道试验跑道的坡度应不大于0 5 ，如果坡度小于o 2 ，所有骑行 应取同一方向进行如果坡度在0 2 _ 0 5 之间，骑行应去正反方向交替进行； 3 ) 路面应坚硬，铺混凝土或纯沥青，无松软的尘土或砾石。干燥路面与自行车轮胎之间的最小摩 擦系数应为o 5 ； 4 ) 实验开始时跑道应是完全干燥； 5 ) 跑道上的风速在试验时应不大于3 m $ 应装有的仪器设备： 1 ) 校准好的速度表或转速表，精度在5 以内，给骑行者指示制动初始点的近似速度； 2 ) 速度记录装置，精度达到2 ，用以记录制动初始点的速度； 3 ) 距离记录系统，精度达到4 - l ，用以记录制动距离 对握闸装置和握闸力大小的规定： 1 ) 试验时所用的握闸力应不大于1 8 0 n ，握闸力应施加在离闸把末端2 5 m m 处 2 ) 对闸把的施加速度，使握闸力达到6 3 时，所需时间应小于0 2 s 。 对自行车、骑行者和仪器的质量要求： 白行车、骑行者和仪器的总质量应为1 0 0 k g 1 制动性能要求如表2 1 ： 表2 1 制动试验的速度和制动距离 试验条件试验速度( k m h )使用的车同翻动距离m 使用两个车闸7 干杏 2 5 单用后闸1 5 使用两个车闸9 漫杏1 5 单用后闸1 9 通过对国标规定的测试方法可以看到许多试验要求误差较大，同时很多指标需要人为控制，有些指 标很难测定( 如握闸力达到6 3 时，所需时间不大于0 2 s ) 。由此可见，此试验方法受外部条件和人为 因素干扰非常大。而且对于制动性能衡量的指标也较为单一，主要就是制动距离。显然该方法对于制动 系统生产厂商的指导意义不大。所以确定一种新的、更为科学的测试方法和参数指标是很有必要的。 6 第二章测试原理与方法 2 2 2 测试参数 测试的目标是参数。良好的参数测试方案可以全面的反应测试对象的属性、性能，提高测试效率 所以，这里我们可以借鉴其他机动车辆的测试方法提出适合电动车的测试参数指标按照测试参数侧重 点的不同可分为以下两种测试方案； 测试参数方案一： 1 ) 主参数：制动减速度； 2 ) 辅助参数：制动距离； 3 ) 参考参数：制动力、制动器温度、环境状况 溯试参数方案二： 1 ) 主参数：制动距离； 2 ) 辅助参数：制动平均减速度： 3 ) 参考参数：制动力、制动器温度、环境状况 新的测试方案需要的仪器设备： 1 ) 施加初速度的装置( 包括测量速度、加速度的设备以及标示位移的装置) ； 萄握闸力施加装置( 包括握闸力测量装置) ； 制动时间的测量装置； 们制动器测温装置； 匀环境因素的检测控制装置( 环境温度、湿度测量装置以及喷水装置等辅助设备) 其中方案二更多的是在整车测试中采用由于对应整车而言，只需要知道制动系统的整体性能，而 制动距离是最直观，也是最容易得到的参数。所以不管是自行车还是汽车安全方面在我国往往采用第 二种方案这里的平均减速度也是通过计算得到的，如式2 3 口( ”) 知 但在德国自行车标准中却是采用制动减速度为依据来判定自行车的制动性能，应该说这种方法更为 科学。方案一就是以电动自行车制动时的减速度曲线为依据，不仅可以全程的反映制动力的变化趋势 而且可以对比时间、温度、环境等因素的影响，分析这种变化的内部机理，为改进制动性能提供参考意 见。但这种方法的代价是必须采用专门的设备，实时的观察制动减速度这对于一般的检测机构是无法 完成的 2 2 3 测试方法 根据上述的参数指标，设计三种测试模式，分别为：单次测试、多次测试、路面测试，用于全面的 反映制动性能。 模式一：单次测试。 单次测试，主要用来反映电动自行车的制动效能指标，参数测试方案采用方案二。须保证的因素： 确定的初速度、胎压、制动器温度、环境湿度、路面摩擦系数、路面坡度、负载、风阻；施加在制动线 末端，e p ；a n 载在制动器上的制动施加力；制动力施加滞后时问数量级 模式二：多次测试。 多次测试，主要用来反映电动自行车镧动抗衰退性能以及制动稳定性，参数测试方案采用方案二 由于该模式下，主要关注温度、湿度等环境因素对于制动性能的影响。而制动性能最直接的反映就是制 动减速度，所以这里仍然需要实时的反映制动减速度，对比环境因素，分析其抗衰退性能。可以采用每 个单次测量的最大加速度、最高温度、制动时间和制动位移来反映该次制动的效果。若将多次测试定义 为某一较大的数量级，如一万次，那么就可以得到制动系统的稳定性参数了。 7 东南大学硕士学位论文 模式三：路面测试。 路面测试，主要用来模拟路面行驶时的状况，多种速度下反复制动，观测其制动性能，可以采用参 数测试方案一或二在这里主要作为辅助测试手段 2 3 制动过程分析 测试平台的设计是基于对制动系统工作的深刻了解，只有深入理解制动系统工作的原理，才能保证 平台设计的准确与可靠本节主要介绍了与制动系统工作相关的因素，如滑移率与附着力。分析了路面 制动时车轮和整车的受力状况，对比试验台的受力，做出了可行性分析 2 3 1 滑移率与附着力 由翻动过程可知，随着制动强度的增加，车轮滚动的成分越来越少，滑动的成分越来越多，轮胎与 地面出现相对速度，即车速与轮速之问产生速度差将车辆与车轮的相对速度与车辆前进速度之比称为 滑移率s ，用滑移率表示制动过程如下： s v - - l t o ) x 1 0 0 ( 2 4 ) l ， 式中= ，车轮中心的运动速度( 脚抽) o ，车轮半径( m ) ； 车轮转动角速度( t a d s ) 。 从上式可以看到，车轮纯滚动时，v - - - - i m ，s = o ；纯滑动时，伽| 0 ，s = 1 0 0 ；边滚边滑时，0 s 1 0 0 ， 滑移率s 越大，车轮滑动的成分越大。 随着制动强度的增加，车轮的滚动成分越来越少，滑动成分越来越多，滑移率逐渐增大。但附着系 数在电动自行车的整体制动过程中并不是常数，车轮在各种运动状态下，具有不同的滑移率，其附着系 数也随之变化如图2 1 所示。从图中可以看出，纵向附着系数f 随着滑移率s 的增大而迅速增大，当 s = 1 0 - 2 0 时，f 具有峰值，滑移宰s 再增大，f 则随之开始下降 由上述可知：当滑移率s 在某一范围，一般为s = 1 0 - - 3 0 时，路面具有较高的纵向附着系数，车辆 才能获得最佳的制动效果，保证制动的安全性。实践证明，车轮在抱死滑动时，制动距离并不是最短的。 而最短的制动距离是发生在车轮要被抱死而尚未抱死的制动状态。这时，车轮能保持在即将滑移而尚未 开始滑移状态，制动力接近附着力但尚未达到附着力，其制动效率最高 表2 2 各路面的附着系数 路面类型路面状吝 量矗附着系数舻 良好的混凝土或沥青路面干燥 o 7 o 8 潮湿0 5 o 6 碎石路面干燥o - 7 o 6 土路面 干燥0 6 o 5 潮湿o 4 0 2 雪路面 压紧的0 a 0 2 冰路面 o 0 7 表2 2 所示为各种路面上的附着系数，由表可知干燥路面的附着系数比湿路面高 8 第二章铡试原理与方法 鑫 臀 塞 匠 曩 2 3 2 前轮动力学分析 l o 2 d 滑移率。 图2 1 纵向附着系数和滑移率的关系 图2 2 整车受力示意图 整车制动时受力，如图2 2 所示。从图中可以得到： g 鲁g - 争+ 埘冶 g 2 - 鲁g 一鲁+ 朋k 式中： 工前后轮轴间距离( m ) ： 工l 前轮距离整车质心距离( m ) ； ( 2 j ) ( z 6 ) 工2 后轮距离整车质心距离( m ) ； f 车辆负重( 蚝) ； 小车体质量( k g ) 。 作为前轮而言，它受到车轮轴传来的推力f p l ，地面附着力f i l ，地面支持力f z - ，制动力矩瓦t ，载 荷g l 以及重力“l g 的作用，由动力学分析可得： 9 东南大学硕士学位论文 肼l 后轮质量( m ) l 车辆水平速度( m s ) ； e l 地面制动力( n ) ； 车轴对车轮水平作用力( n ) ； 车轮制动力矩( n m ) ； ，车轮半径( m ) ； j l 前轮转动惯量( 坶f ) ； q 前轮角速度( t a d s ) 2 3 3 后轮动力学分析 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 作为后轮，它受到车轮轴传来的推力f 缸，地面附着力f 1 2 地面支持力e 口，制动力矩1 h 2 ，载荷 g 2 以及重力m - z g 的作用，由动力学分析可得： 辨2 后轮质量( m ) ； y 车辆水平速度( m s ) ； e 2 地面制动力( n ) ； 2 车轴对车轮水平作用力( n ) ； 瓦2 车轮制动力矩 n m ) ： ，车轮半径( m ) ； ，2 后轮转动惯量( k i ：) ； n ，2 后轮角速度( r a d s ) ( 2 9 ) ( z 1 0 ) 匕 l 峨 叫 - 咖一出她一出 l ： 申式 如 一 一 巴 互 i 一 咖一出 慨一出 生锄 堕办 肼 乞 钆 第二章测试原理与方法 2 3 4 车体动力学分析 车身在驱动轮、从动轮对其反作用力f ，l ，f 知；轮轴的支持力g i ，0 2 以及自身重力，空气阻力 f - 的共同作用下。由平衡方程得： 似+ 历) 鲁- ，：一。+ e 叩：似+ 肘) 宰d t 一，：一+ r 式中； l 风阻( n ) 2 3 5 测试台动力学分析 图2 3 测试台受力示意图 测试台的构造示意图如图2 3 所示，由图可得： 车轮受力分析： ，2 警吨一，n ， 轮鼓受力分析： l 警一t o 峨，| 式中； j 轮鼓的转动惯量( 蚝f ) ； d 气轮鼓的角速度( r s d s ) ； 1 1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( z 1 3 ) ( 2 1 4 ) 东南大学硕士学位论文 l 附加阻力矩( n _ ) 2 3 6 对比设计 为便于模型对比，可将前轮的制动力暂时忽略，那么式2 8 就变成： i 。d m o l - 一f n r 代入式2 7 可得： 吨石d v + 争警 同理，由式由2 9 和式2 1 0 可得： ，2 一争一7 i z 百d w z 吨等 于是在忽略风阻的影响下代入式9 - 1 2 ，并结合式2 4 滑移率的概念，可得： ( z 1 6 ) ( z 1 7 ) ”等。瓦i 孑霉习而 8 ) 由上式可见，制动力是滑移率的函数，同时，又由于1 k 不可能大于路面制动力，受附着力制约 所以上式为前后车轮滑移率的二元函数。 同样，也可以对测试台的动力学模型进行化简，这里我们可以参照路面滑移率的概念。将轮鼓的速 度定义为车速( 可以通过能量等效来实现，即使得轮鼓转动动能等于整车动能来实现) 。那么 s i r a _ = o a _ - _ r 一0 2 ，即鸭i ( 1 一，h 因此，可将测试台模型化筒为： ，吐0 ， 咖 l + 量- 瓦： 屯。_ 。两 ，i r 。 ( 2 1 9 ) 对比式2 1 8 与式2 1 9 ，可以看到两式分子，分母量纲一致。若不加载附加阻力，那么： ”再t b 2 ， ， ( 2 2 0 ) 由此可见，如果能够使得两式的分母一致的话，那么该测试平台就能完全模拟实际路面的制动效果。 又由于，式2 2 0 的成立是基于整车能量与轮鼓能量一致的假设下，即g 丢l q 2 一m o v - e 撇1 - 肘，孑v 2 其中肘，为车辆负重、前后车轮和车体质量的和 代入式2 2 0 可得： 第二章测试原理与方法 4 2 。瓦i 如 住2 1 ) 对比式2 1 8 与式2 2 l 可以看到在忽略前轮翻动力的情况下，测试平台可以完全模拟实际路面的制 动情况那么怎么解决这个闯题呢? 我们引入了可调因子，即附加转矩，一个好的通过实验校准的 可调因子，完全可以使的测试台近似模拟路面测试 2 4 设计方案 根据以上的受力分析我们设计了下面的测试平台。本节主要介绍测试平台在两个测试项目一荦轮 测试和整车测试下的安装示意图，期待读者对平台的结构有大致的了解，为进一步介绍测试平台结构和 功能打下基础 拉 2 4 1 单轮酒试 图2 5 传动部分示意图 图2 4 为单轮测试安装的结构示意图，平台由两门子三相异步电机驱动，通过v 型带将动力传递到 东南大学硕士学位论文 图2 5 所示的传动部分，由传动部分模拟路面的作用力。台架上部是用于固定单轮或整车的。安装有固 定单轮或整车的夹紧机构，同时附以负载加载机构。图2 5 所示的传动部分主要用于传递动力与储存能 量，动力从带轮处传递过来，通过光电编码嚣( 用于速度的检测) ，将动力储存在飞轮上当轮鼓线速 度达到测试平台所要求的制动速度时，离合嚣将动力切断，制动系统发挥作用。整个传动部分依靠飞轮 储存的动力继续运动，直至完全停止在这期间，磁粉离合器器附加制动力用于模拟前轮制动力等理论 分析中无法由机构产生的力，使得测试平台能够精确的模拟路面状况。当然轮鼓的表面，需要进行一定 的处理，我们将其设计成可更换式，表面的材料为纯沥青，这样可以使得轮鼓与车轮接触面与实际情况 完全一致。 制动力产生机构为一类似于曲柄活塞机构的装置，但在其最高点和最低点分别安装了非接触式的开 关，控制系统可以准确的将其定位在最高点或最低点在制动力产生机构的顶部有一个托盘，可以将事 先设计好的砝码放置在上面，当托盘活动到最低点时，制动力加载，当活动到最高点时，制动力撤销， 也可以交变的加载。托盘的顶端连接以制动线，将制动力加载至制动器上。这样的结构使得制动力的加、 卸载变的简单，而且制动力更加精确，便于控制。 2 4 2 整车测试 图2 6 整车结构示意图 为验证测试平台的精确性，为测试提供检测和校准的手段，平台还提供整车项目的测试。所有机构 基本一致，稍有不同之处是，制动力加载在把手上，而菲直接连接于制动线上。同时加紧机构的夹紧方 式有所不同 2 5 本章小结 鉴于国标规定的测试方法较为粗糙，对制动系统生产厂商指导意义不大。为客观衡量制动系统的工 作性能，本章对制动系统测试参数和方法做出了探讨，并针对制动过程中的受力，提出制动系统测试平 台的初步方案 1 4 第三章机械及电气部分设计 第三章机械及电气部分设计 有了详细的设计方案。下一步的工作就是具体的技术、施工设计了。具体设计与方案规划不同，它 不仅需要考虑技术的可行性，而且更需要关心功能的可靠性本章就是针对方案中机械及电气部分的需 要，设计相应的机构。选择需要的电气、电子设备。 3 1 机械结构设计与校验 测试平台的机械部分包括；动力传动机构、制动力产生机构和各个加紧机构。其中动力传动机构、 制动力产生机构的功能和结构在上文已经简单阐述。